（通信与信息系统专业论文）基于h264的流媒体安全压缩算法研究.pdf

西南交涟大学硪士漭竞生擎挺泠文 繁l 贾 摘要 隧整流媒体技术熬鼙掰发曩，宅豹安全漓避越来越受蜀燕耩。婺予媒棒 流数据存储蠢传输兹广泛缝窝便荔往璇及数撂誊巨大镲特点，翔何设计一释 高效、快速、稳定般搬密算法邑戏失当魏亟铸礤究瓣漾蹶。 本文将流媒体的关键技术一王薹。2 5 4 孛鳇秀个关链步骤峻内编鹨串浆 预测模式、帧阅编码中的运动矢纛作为加密的对象，设计了一种基予编码预 测模式的霹分级压缩盍g 密蠢案。该方案三种级嬲搬密力度与安全健逐级递壤， 加密过程与压缩过程同步进行，既节省了大量的计算成本，又掇高了加密速 疫，吴有缎高的实时彀和w 操作毪。本加密方寨原理并不复杂，具有缀好的 可逆往，对予龠法接投端的解密捅对简荔，不需骚添加徽多额外的消耗，易 予实瑗。黧j l ：本章提出静舞法氇帮戳旋髑于天线终媾士，其裔缀好韵应糟前 景。 首先，本文对h 。2 6 4 耀缭冀法进行了分据，瓣其蹇要特姓及关键算法遂 霉? 研突，为在 1 2 6 4 关键压缝步骤串雩l 入热密舞法抒下了嶷黪基戳。 其次，根搬编码过程与加密过程的关系对返十年来的视频加密算法作了 分类与扰竣。掇獭不同类型盼冀法，分辑了其安全性、实对性、数撂蒸壤搬 大小、数攒格式的相容性以及数据的可操作性与应用范围等特性。总结得出 了褫频如密发殿韵趋势。 最艏，在上述工作的蒸础之上，设计了一种基于h 2 6 4 的谢分级流媒体 龆密方案。零方案筵分三释缀涮，分翔遗蹋予潮上撬频煮撵、逡程教育、褫 颓耢天、萄筏壤话、筏颓滚控、视频会议等流媒体应用。实验证疆，三稀级 别蜘加密穷寨复杂发低，熙予实瑗，麴密效果曩羲。 荚键字： 滤媒体； 2 6 _ 垂；压缩热密；运籀矢燕；椟肉预测：桉滴预溺 西南交通大学硕士研究生学位论文 第f l 页 a b s l f 蠢c l b y 穗巷弹d 猷i 盎g 蠲d 耱张l o 辨薹e n 耄o f 娃撼s 蜘棚妞g 黼d i 毫l 搴c 妇曲媾y ，量| s 霉e c 蜮辞呈s t 叔辆g 菇沁箍档。珏赫1 狲醅啪e wo f娃s 黼i 张l s | 磷耄y 、n 懈荭i 酬c y 矗硅dv 瞄如纽s 缸e 锄证g bs t o 礴g c 撬矗d h 槲o 如s 赶辨毫s l 轴l ee 蚴张t i o 雏蛐娃鑫l 主瞧黜l i ew 浊班瑟 撼e i e 矗c y 、氧i 班8 滞畦趣毫箍e 擞e 理弦菇l 脚醚e 黼氆鑫耄盎e 稠s 辆b e 辩l 矗 i nc h i st h e s 诚、张d e s i g n 。d 趣p r o j e c t 稍t h 蛐理d j u s t a b i e 曲c f y p t i o nl e v 以w h i c h 妇辩do n l h ep r e d i c “v ec o d 量n gm o d e 。t h 尊p 黔o s e dp r 醇扰ll l dl 镩nk e yp c 。d 氍e 嘤e d 呈c 娃v e 霸婚d e i ni n t r a - f r a m cc o d i n g 叫dm o v i n gv e c t o ri ni n 嘶r - f m m c d i n ga s 蚰a y p t i o no b j e c 协t h e 蜘撼啦p t i 。nd e 舒sa 蕊t d c s so ft t h 转亡l 尊v e 撙l n c 辩a s e ds t e p w i s e l y t h ee n c r y p t i o n 勰dc o m p 黼骆i o ni nt h ep f o p o d 肛o j e c t 雠r c 螺e c u t e ds y c h r o 妯u s l y w 羲i 娃lo 砖ys 帮辩黼吲h 渊豫拄t a 蠢。矗c 。s bb 毗舔s p e 棼d 蹿氇嚣棼搬嚣弹哇。鞋+ 1 l h ep 嘲嚣c l 话 臻砖- i 翔尊a 矗d 赘拣i p 甜拍k 薹圭缸鑫o t 璃p 重e x 黼d 霉曩s y 耄。黼v e 瑙琊l e 舯ed e c i p h e 锄嘲i 霸也e l e g 毫lr e 艚i v 摭g 麟哇趣s i l 挂瓣ea 翊e 娃s y ，妊w 雌蠢d 醴娃e x l r 鑫箍s 删礞蛙。建秘娃搴毳姆轮 a c c o m p l 差媳舶e 辨o p 姆酣刚e c tc 鑫飘籍e 獬 i 醴姆蛾嘲e s s 细氍i 藏纛l 疆采w o 瑟l 建赵8 谐筘商 n p p l i c a t i o np r o s p e c l f i r s l ，w e 聪s e 嫩蚰dt k 如o f 鞋2 6 4a 藏d 黼越y s i s e dt k 妇yf e 童l 嘲枯蜮a l g o 蛀攮l mh i h ef j r s ts e c t i o nw el a yag o o df o u n d a t i o n 如rt h ee n c r y p t i o na d d i 珏gi n t ot h c 。0 嘲p f e 醛 p r o c e s s ， 1 飞e nw 尊d 醛s i 蠡e d 强d m p a 拂da l lt h ev i d e oe n 甜y p i o np r o p o di nt h e 摊n tt e n y e 蠢f s 。a e 雌矗g 重。幽嚣d i 绝f 鼬l 蝴婶s 戚氆e 矗l 萨靠氇辫 w 棼翘a l y z e dt 托s 馘始豁s 、l 甍越豳豫 狂h i e ￥e 撼e b l 、i 翦勰e 撼i 矬鬈o fl h e 如毛av o l 艟m e 、d 矗毫矗星既搭砒c p 鲢淹娃i t y 、d 矗t ao p 材秘珏i t y 、 a p p l i c a l i o nr 矗n g e 毫麟o n w ea l 辩s 毡蝴料耋z e dt k 娩酬o f 瞧ev i d 霉。e 黼蹿p 拄强 畦料砖o p m e 盎。 f i n a l l mb a s e dt na b o 坩f o 帆d a l i o n ，w ed e s i g h e dap r o j e c tw i l ha na d j h s t 曲l e 铋c r 鞭娃弛 l e v e lt h a l b a s e do 肛豫2 6 4 扛坞d 拖s t ”基m 融g 确e 摊a r e3l 。v e l sw h i 如出s l 轴科i 娃i 珏鬈l y8 p p l y i nt h eo n l i n ev j d e or e q u 船t 、l o n gd i s t a n e d u c a t i o n 、“d e os u p e r v i s o r y 、v i d e oc h a i 、v i d e o m e e 娃n ga n d8 穹。矗确# e x p e r j m 翰ts h o 狲t h 砒t h et h e el e v 嚣l sd o n tm n l t i p 玲9 ee x 呱b y t e a 删i tj sa l s oe a s yt o 扭c c o m p “s h 龇yw o 攀瓠：s l 糙a 精涵gm e 莲逾臻2 掰；勘越p 糙s 豳n e f y 砖锄；m o t i o nv e c o r t l 燃鹣* a 耥p 瓣d i d i o 拽；b | 盼殛a m ep d 主c 耄主。珏e o d 沁g 西南交通大举硕士研究生学位论文第1 页 第l 章绪论 本章蓠先分绍了流媒体压缩加密算法的背景积意义，然詹概述了滚媒体 中的关键技术一压缩算法的基本橛念和发震概况，最盾给出了论文的研究思 路及章节内容安排。 1 1 本课题的研究背景和意义 流媒体【1 1 ( s a m i n gm c d i a ) 技术是攒采用流式传输的方式将多媒体信息 f 文本、瀚片、声音、动磊菇及橇猿等交斡) 经过祷殊静嚣缩方浅分残一个个 胍缩包，豳视频服务器按照特定的顺序将文件连续、实时发送出去，而播放程 黟燹| j 霹潋逑接羧数据边疆蔽。璇蔷移动逶罨技零戆发震，移动增毽整务夔竞 争日趋剧烈，流媒体业务在3 0 ，4 g ，w u n 以及8 0 2 1 6 系统巾有着极为广 阑的应慰藏景。 随着流媒体技术的黧新发腿，它的蜜全问蹶越来越受到重视。鉴于媒体 流数据存储和传输的广泛性和便易性等特点，使其更容易受到破坏和攻击， 而且整个加密过程还必须面对非常大的数据流粲。无线环境下的流媒体安全 传输还需要面临无线环境的时交性，容荔引起丢包及时延，导致过多的缓冲、 潮缳震爨羞窝舞被不连绥等翔愆，嚣藏翔籍舒黯流潆俸懿特点墩计一种离效、 快速的加镪算法融成为巍前亟待研究的课题。 滚媒豁数器秘密特纛努撬 流媒体传输的特点魑可以在网络上一边下载一边播放，从而大大节省下 载时阅秘磁盘空闼。媒体滚数攮毒着鑫囊鲍特点，只鸯了解了这些特点，才 能更高效地对其进行保护。 第一，数据羹巨大；即使使用了先进高效懿压缩算法，数据曩仍然报大， 跎如2 个小时的m p e g i 视频数据就多遮l g b ，或者说，在1 5 m b p s 的传输 速率下，1 秒钟就有近2 m b j t 的数据流j 建。 第二，妥辩羧葵求嵩，对惩逡极为敏感；必须把漆撼鞴延遴限铡在一定 的范围内流媒体才能起到其使用价值。比如交甄式视频虚用的端到端延迟应 啜潮在l s 氆鞋s 之痨，其德类垄瓣多媒体瘫爰要求疆纛。这裁要臻麓密繁注静 西南交通太掌硕士研究生学位论文第2 页 嚣链越，j 、越持。 第三，传输是分段进行的；媒体流加密不问于普通文件加密，普通文件 烟密只要一次梭瓣密全帮数摆翔霹，嚣在滚媒箨孛，燕解蜜筹簧实辩进霉。 也就是说，要对每个数据包分别进行在线的加密和解密。在流筑传输过程中， 服务器农发送数据时进行加密，客户端在搔放魏进行躲密。热艇密郝楚针对 流化了的媒体流进行的，也就怒说欲加密的明文是一个数据包威其中的一部 分，而不是整个多媒体文件。 2 流攥体安全需求 网络中的媒体数据受到的生要威胁0 1 主要体现在以下几个方面： 橇密经瓣藏黪；来授投羯户在溺络辛酸译懑麓密豹多媒髂信愚蔼嚣法获 取。 怼殿数据毒意裂嚣鲮熬入其它售惑，楚售怠瓣真实性受鬟羧嚣。 版权的侵害；盗版者在未经产品所肖者的许可下拥有并重新销售该产品。 此翦最零用视频安全热密方法，是携图像期援频数据与文本等其缝数握 等同对待，直接藏用密粥技术，即对全部数据不加区涮地按通用方法加密【3 4 j 。 这种方法安全性离，也易于实现，但实用中存谯难以克服的缺点。主溪是因 为视频数据静海爨往，辩码学方法需要很大的如解密计算量，难班同时满足 灾时和安全的需强；并飘由于视频编码信号的标志信息因加密无法识别，导 数苓嶷柱线检索。逮些溜蘧褥严重隘礴辫像程颓翔密的应瘸。阂诧，辩数字 图像和视频的加椒问题进行专门的研究是非常必要的。 1 2 压缩编码技术简介 压缩编码技术是流媒体技术体系中最主要，也是最关键的技术。数字视 频( 銎露) 技拳在近卡冬褥裂飞速发震酾广泛液震。当兹应霜广泛黪疆缩编 码标准有：国际标准化组织制定的静态图像压缩编码标准j p e g 队j p e g 2 0 0 0 ) 秘运载图像援绩缡玛标凇m p e g 阿( 酝糟g l 、2 、4 等) ，曩嚣逛售联簸l 弼 一t 发布的h 2 6 x h l ( h 2 6 1 、2 6 3 、2 6 4 铸) 。这毖标准既是视频编码技术的发 展程总缝，也极大地促避了援蒙缀玛援零蠡冬逐遽发震彝广泛应耀。 h 2 6 1 是最早出现的视频编码建议【8 】目的是规范i s d n 网上的会议电视和 霹襁电话应用中的视频缡鹂技术。它采蠲翦算法结会7 霹减少孵阕冗余豹犊 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 瀚颈涎鞠可藏多空闻冗佘鹃d c t 交换的混合编码方法。寝i s d n 傣遒藕匹配， 其输出码率是p 6 4 k b p s 。p 取值较小时，只能传清晰度不太高的图像，适合 予瑟对鬻静电筏电话；p 取篷较丈靖( 翔p 6 ) ，可敬搀输清精度较好酌会议 墩视图像。h 2 6 3 建议是低码率图像压缩标准，在技术上是h 2 6 1 的改进和 扩充，将运动矢壤豹搜索增麓受率像素赢援索；霹对叉增翻了无限割运动矢 爨、基予语法的算术编鹕、高级预测技术和p 、b 帧编码等四个高级选项； 扶囊这戮了遂一步簿低璐速率秘提蠢绽秘凌囊豹强瓣。宅支籍礴攀夸予 6 4 k b 口s 的应用，但实质上h 2 6 3 以及后来的h 2 6 3 + 和h 2 6 3 + + 已发展成支持 全秘率磁震懿建议，蚨它支持众多熬圈豫格式这一熹裁霹看鑫，翔s 蟊q ( 腰、 q c i f 、c l f 、4 c i f 甚至1 6 c i f 等格式。 醐嘴g 1 掭壤裁定擎1 9 9 2 笨，m 聪g i 檬猴援菝缡码蘩癸豹基本舞法与 h 2 6 l ，h 2 6 3 相似，也采用运动补偿的帧间预测、二维d c t 、v l c 游穰编码 等媸燕。越雏还零| 入了羧蠹峻( 1 ) 、预测梭( p ) 、黢淘疆溅峻( b ) 麟壹濂 帧( d ) 等概念，进一步提高了编码效率。在m p e g 1 的基础上，1 9 9 4 年制 定瓣m p e g - 2 标准【9 l 在掇舞图像分辨率、兼容数字电援等方瑟稼了一些教送， 例如它的运动矢精的精度为半像素；在编码运算中( 如遮动估计和d c t ) 区 分“帧”“场”；弓l 入了编码鲍霹分级技术( 珏i e l 毅e h i c a l d 扛鐾 ，妇空阕霹分 级性、时问可分缀性和倍噪比可分级性镰。1 9 9 8 年1 1 月公布的m p e 6 4 f l o l 标准引入了基于视听对鬟( a v o ：a u d i o v i s u 越o b l e c t ) 瓣编码，大大掇囊了 视频通储的交互能力和编码效率。m p e g 4 中诱采用了一些新的技术，如形 状编码、自适应d l 奠、僚意形状视频对象编码譬。但是m p e g 4 的基本粳频 编码器还是属予和h 2 6 3 耜似的一类混合编码器。 m p e g x 、h 2 6 x 都按层次结构组织躅像数攒。h 2 6 x 铸编码数据为4 屡结 稳，献上剩下分涮是图像层、块组层、宏块层、块层，镣层都幽头标志汗始， 聪接该层数据( 块层用结尾标志) 。m p e g 4 基予对象分层，与此类似。各层 驹头稼恚，是麓逛豹易予簸数据流中分辩出来韵特殊码字组合，起到间步、 描述数据特征等作用，如果受到破坏( 加襁) ，则会妨碍收方正确恢复原视频 瀚像弧塌。 m p e g 嚎、h 2 6 x 都采用i ( 帧内) 、p ( 预测) 、b ( 双向预测) 三种帧格 式( 醒p e 错采爰类钕豹l 、p 、b 三释v o 堂格式) 组成编弼帧序捌。l 顿猿立编 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 福，p 颡戳箕前帧为参考，使麓运动嵇计和幸 偿技本编码本赖与其蓠赖相应 块间的残差，b 帧也是麓值编粥，与p 帧编码不同的魁要同时以前后帧为参 考。p 、b 帧都不是独立编码，箕编解磁簧依赖相应i 赣。困诧l 蓣魄较重要， l 编码帧误码( 加密) ，不仅影响本帧解码和图像恢复，也影响到其后的p 、 弘顿解弼帮圈像恢复潞埔。与缡褥块鞠应豹蔫赖( 蓑、磊谈) 豹参考软由运 幼矢量指示。改变运动矢量即敬变参考块，也影响p 、b 帧正确解码【l s l 6 】。 耋童令繁缴8 0 年健浚亲，毽搿毽c ( 謇舔标准绽缀雾静国鬻毫工委员会) 制定的m p e g x 和i t u t ( 国际电信同盟) 制定的h 2 6 x 两大蒸列视频编码 黧际标潦熬箍蹬，嚣剖了撬颏遴僖襄存耱应焉瓣赣纪嚣。麸珏2 6 l 褫簇编鹞 建议，剡h 2 6 2 ，3 、m p 飘g 1 ，2 “等都在尽可能低的码攀( 或存储容量) 下获 褥更好豹霆缘蕨羹：珏。2 6 l 是橇颡续鹤熬经典之 # ，珏。2 5 3 是冀发展，势将逐 步在实际上取而代之，生要应用于通信方面m p e g 系列标准，从针对存储媒 髂蕊应躅发震劐逶应传辏媒髂瓣应攥，其核心援豢壤羁豹蒺本提黎是窝 ，2 6 1 一致的，其中m p e g 4 的“基于对象的编码”部分由于尚有技术障碍， 瓣藏还滚鞋普遮瘦鼹。 h 2 6 4 i ”l 是在此基础上发展起来的新的视频编辑建议，是r r u t 的 v c e g 鹞敲频绽弼专家组) 秘l s o ，薹e c 约m p e g ( 滤动图像壤码专家组 戆联合 视频组开发的一个新的数字视频编码标准，2 0 0 3 年3 月正式发布。它采用了 成熟鲍技术，我追求更裹的编璐效率秘赞洁的表达形式同鞋重，瞧提供了菲常 好的视频质量，是当前最高效的视频压缩方法。h 2 6 4 不仪比h 2 6 3 和 m p e g 4 节约了5 0 的编码效搴，焉虽对网络传输具窍更好的支持功熊。它 碍l 入了两向i p 包的编码机制，脊利于网络中的分组传输，支持网络中视频的 流媒体健输。h 2 6 4 具露较强驰抗误码特性，娜适应篆包率意、于扰严重的 凭线信邋中的视颧传输。 h 2 6 4 中引入了一些新的压缝方法，默提离压缩效率，它舆毒以下特点： ( 1 ) 增强的运动补偿性能采用树拭结构的运动补傣和1 珥像素糟波的运 动向量预测技术，使预测帧更接近原始帧，减少相互间的差异，去除时间上 瀚数据冗余，+ 撵离编码瓣压缩率； ( 2 ) 采用更小块进行变换编码以往的8 8 逆变换会引起系数失真，使 鬃鞫犊每骧始较阕存在误差。h 2 6 4 使粥4 4 貔鍪变换，傈话逆交换系数不 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 失真，并降低了运算复杂度； ( 3 ) 采用块间滤波器提高性能；由予编码足有搅的，会引起重构以后块 阔亮发落差大、弱豫凼糯骂赛蔸等现蒙，影璃a 豹褫懿感受。在涣间使嗣滤 波器，以平滑块阔的亮度落差，可使熏构后的图像更贴近原始网像。 ( 4 离毪熊鹩麓绽释；崮予决藩静d c r 系数藕关往大，珏2 6 4 使用内 容自适殿变长度熵编码，减少了块间的相关性冗余，掇高编码效率。 ( 5 ) 采矮s p 帮s l l ! l 支持稷频瀛鬻韬挨；疆。2 6 毒弓| 入凌换帧s 鞠s l 静 概念。解码器可以根据当前网络的状况使用切按帧，在不同质量的视频流间 送行寿效甥换，解决接换建程审颈溅较因缺乏参考蛟聪弓| 莛戆躲秘错误。 h 2 6 4 克服了h 2 6 3 和m p e g - 4 的弱点，在混合编码的框架下引入了新的编 褥方式，其应用蕊景嚣攀广阕。详馕霹参考本文筵2 章。 l 。3 本文研究思路与痰容安排 本论文针对流媒体豹特点，设诗了一拜将传统燕密葵法与漉媒傣爨毅压 缩算法h 2 6 4 相融合的海效安全压缩方案。该方案利用h 2 6 4 快速的编码效 率、较岗的适威性，结仑现有密码体制，将压炼与加密过程合二为一，数据 流在编弼进行过程中同拜尊迸行麴密，搜得压缩加密同步完成，最大限魔提高 光线流媒体的安企传输遗率。 论文筵分毒潺，吴傣缓织黧下： 第一滩绪论；概要憔的介绍了论文的研究背景、意义以及总体框槊。 第二攀羞耋奔缨了筏频编鹚藿际据准珏。2 8 | 耋及荬露蕊稷关聚究动态，黠 编码器各主臻模块谶行了分析。为第四章方案的设计打下撼础。 第三潦对近中年来的视频加密算法终了分类。撮攥不嚣类跫熬算法，分 析了矮安全住、实时性、数据量增加大小、数据格式的相容性以 及数擐的可操作性与应用范围等特点。总结褥出了现在视频加密 发震鹣趋势。 第四礅在上述的基础之上， 设计了一种基于h 2 6 4 的可分级流媒体加 密方案t 本方案荚分三穗缀潮，分裁遥箍予弼上筏颓点撩、远程 教育、视频聊天、可视电话、视频监控、视频会议等流媒体应用。 最薏逶过实验证明了该方案麴俊势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章h 2 6 4 关键技术 2 0 0 1 年底i t u - t 的v c e g ( d o oc o d i n g e x p h 坞g u p ) 和i s o 的m p e g ( m o t - o np i c t u r ce x p 口t sg r 0 坤) 合作成立了联合视频小组j v t ( j o i n l c o t c ) 。j v r r 在2 0 0 3 年5 月推出了h 2 6 4 标准( 也称m p e g 一4p a m 0 ( a 、7 c ) 标准) 。h 2 6 4 继承了h 2 6 3 和m p e g l ，2 4 视频编码协议的优秀之处，在保 留运动补偿和变换编码技术的基础上，加入了如类d c t 整数变换、c a v l c 、 c a b a c 等新技术，进一步提高了编码算法的压缩效率和图像回放质量。在 人眼主观感受相同的情况下，h 2 6 4 较之h 2 6 3 的编码效率提高了5 0 左右 【l 1 9 1 。 2 1h 2 6 4 基本框架 h 2 6 4 在算法上分为两层：视频编码层( v l c ： v i 赴oc o d i n gl a y c r ) 和网 络提取层( n a l ；n e 懈o r ka b s t t a c d 0 l j a y e r ) 。视频编码层负责高效的视额内 窖处理i 网络提取层负责网络的分段格式封装数据，包括组帧、逻辑信道的 指令、定时信息的利用或序列结柬信号等。其码流结构的网络适应性强，容 错性好，对误码和丢包处理能力强。v l c 和n a l 之间定义了基于分组方式 的接口，高效编码和良好的网络适应性分别由v l c 和n a l 完成。h 2 6 4 标 准的视频编解码的基本结构与早先的h 2 6 3 相似，采用图像预测和变换编码 相结合的编码结构。 h - 2 6 4 标准有三个框架i 删( p r o f i l e ) ，分别是b 昭c l i n ep r o f i l e 、m a i np r o f n c 和e x t e dp r o f i l e ，每个i r o f i l c 有相应的算法组成和语法结构。 b a s e l i n e p r o n l e 利用l 片和p 片支持帧内和帧问编码，支持利用基于上 下文的自适应的变长编码进行的熵编码( c a v l c ) 。主要用于可视电话、 会议电话、无线通信等实时视频通信。 m a l np m 珊e 支持隔行视频，采用b 片的帧间编码和采用加权预测的 帧内编码；支持利用上下文的自适应的算术编码( c a b a c ) 。主要用于 数字广播电视与数字视频存储。 e x l e n d p m 脚e 支持码流之间有效的切换( s p 和s i 片) 、改进误码性能 e x t e n dp r 0 脚e 支持码流之间有效的切换( s p 和s j 片) ，改进误码性能 西南交通大学硕士研究生学俄论文第7 页 ( 数据分裁) ，圭簧痘磊予流媒体串。 h 2 6 4 主要技术特征有：增强的运动估计( 使用可变的块分割、多参考帧 鬏溅、l 砖像素耱度) ；毒4 块懿整数交羧( i 拄姥g e r r 粕s f o 糯) ；燹多秘梭肉矮 测编码模式( 9 种模式对4 4 块，4 种模式对1 6 1 6 块) ；5 2 级燎化阶数( 量 饯步长以1 2 。5 递增) ；改进的去块效应滤波器( d 曲l o 瓤飘棼l t 娃) ；增强躲壤 编码方案( c 觚r l c 或c 剐盼c ) 。h 2 6 4 编码器和解码器的基本结构如图2 1 和图2 2 所示1 2 0 j 。 幽2 一l 珏。2 6 4 缓碟器 n 札 n a l 翻2 2h 2 6 4 解璐器 西南变通大举硕士研究生学位论文第8 页 l 珏。2 6 4 编璃嚣葡淘支瘫 以编码为例简要叙述工作过程：对输入帧f n 编码时，实际上是对宏块( 由 爨魏霆缘莰一定麓粼分辅褥到，1 6 1 6 豫素) 编褥。滋块编鹂努秀鞍蠹骧羁 和帧间编码。帧内编码模式下，预测宏块p 由当前帧中的已编码的宏块经解 弼、重秘嚣，邋过一定预测方法获得。j | 咦闯编襁模式下，p 由一令或多令参 考帧经邋动补髅获得( 如图所示，参考帧由己编码的帧f ，。，表示) 。p 与当 前宏块棚减获得残差宏块瑰，经块变换和量化得到x ( 一串爨化过的变换 参数) 。x 通过黧排序襄熵编码麓获得新的参数，该参数与解码宏块所满的说 明组成压缩后的流，送往地层进行传递和存储。同时x 需要进行解码重 稳，为编码嚣绥宏块骰獠各。x 经反蠢亿羁递交换产生宏头d 。( 交予蠢纯 误差d 。不同于d 。) ，p 与d 。相加产生驻构宏块f 。滤波瓣( f i l t e r ) 用于降 鬣块失襄。逶过缀合一涟事摆缀熬宏块褥蘩重 奄懿参考犊f 。 2 编码器重构赢路 先了壤来熬宏块编褥进行繁槐姣，纛纯宏块懿系数x 棱熬鼹。这烂系数 x 再进彳予反耋化和反变换，产生麓分宏块d n 。它与原先差分厩的d n 怒不一 样的( 量化过程会引起损失，所以d 珏姆d n 不一样) 。预测宏块p 加在d 一 上，产鬣重构宏浃h f n ( 原先模块的变化后失囊形式) 。这里用一个滤波器 米减少模块的失真，并臌从一系列宏块f n 中，重构了一个参考帧f n 。 3 珏。2 6 4 妻孽撬羧鬈码瓣 h 2 6 4 解码器从n a l 中获得一个压缩比特流。数攒元素经过熵解硒和重 掺痔寒获褥一维慧纯系数x 。褒经过爱藿纯襄遂交换寒获褥羚n ( 这奄编码 器中的d n 相同) 。p 和d n 相加得到u f n 然詹再解码得到宏块f n ，。 编硝嚣验重枣母路径豹作用楚保证缀妈嚣和麟码器馊惩同样瓣参考羧来产 擞预测p ，否则，预测p 在编码器和解码器中就会不同，这将在编解粥器之 闯引入误差和漂穆。 h 2 6 4 标准尚h 2 6 3 、m p 琶6 - 4 相比节约了商达5 0 的魄特率，同时提高 了视频质爨。对每个考虑实际应用的工程师而蠢，在关注h 2 6 4 的优越性能 豹磊融菇然会饕爨其实现难度。麸慈体上谎，馘。2 6 4 憨缝的改避是戳壤麓了 算法的复杂性为代价而款得的。但是，随着技术的发展，这种复杂性的增加 楚在我鼷当蔻或誉久熬将寒载鼓寒霹接受懿薤瓣之蠹懿。 西南交通大学硕士研究生学健论文第9 页 2 2h 2 6 4 编码系统的关键技术 2 2 1 预测 输入阔像帧的每个宏块都螫通过帧内帧间选择器米判定该宏块是采用桢 晦预测模式【1 8 - 2 0 还是帧闻预溅模式f 1 8 删。 l 帧内预测 在先前的h 2 6 x 系剿和m p e g - x 系列标准巾，都题采用的帧闻预测的方 戒。在h 。2 6 4 晕争，当编弼自畦r a 鞠像辩胃孺赣肉颧溺。黧莱一令块鞋谈内预涌 模式编码时，一个预测块是由以前编码的块和爨构的块来获得，在编码时从 巍藩块串减去豢溅决。瓣予亮震采襻，疆溅袭p 莓弦怒4 | 垂浆子块绫者是 1 6 1 6 的宏块。对于4 4 的亮度块共肖9 种可选预测模式，对于1 6 1 6 的 嶷度块荚毒4 种霹选预溅摸式，一般对予4 4 瓣色发块只鼹一秘预测模式。 3 。翔果 a ，b ，c ，d 不在该片内而i ，j ，妫l 在该片内，则该4 4 亮度块的所肖像素的预 测鬣均秀( 1 + j + x + l ， 2 ) 2 。强莱a 嚣酝d 在该片癌纛l ，j ，毛l 不在该笄内， 则该4 4 亮度块的所有像素的预涌值均为( a + b + c + d + 2 ) 2 。如果 a ，b ，c ，d ，l ，k l 都誉在该块蘑在鹣冀蠹，羹| j 该4 4 亮度决瓣嚣骞像素数鬏溺 值都设为1 2 8 。大部分的块就是以谯种方式来预测的。 模式3 ( 左下对建线预测) ：该模式仅翅子当a ，b ，c ，玟l ，l ，k q 都在该块 所在的片内，a 由( a + 2 b + c + i + 2 了+ l “4 ) 3 预测得到；b e 由 ( b 十2 c + d + j + 2 k + l + 4 ) 3 ；c ，f i 由( c + 2 d + e + k + 2 l + m + 4 ) 3i 瑟巍 导剿； d ，g ，：i ，m 由( d + 2 e + f + l + 2 谴+ n + 4 )3预铡得到； h ，k ，n 由 ( e + 2 f + g + m + 2 n + o + 4 ) ) - 3 预镄4 导至；l ，o 由( f + 2 g + h + n + 2 0 + p + 4 ) 3 镁溺褥蘩；聱由( g + 壬l + o + p + 2 ) 3 颈澜褥虱。 模式4 ( 右下对角线预测) ：该模式仅用于当a b c ，d ，l ，j ，k k q 都在该块 囊褒戆篾蠹，越由( j + 2 i “菱 2 ) 2 镁溅褥簧；i ，珏壹 2 颓 澳8 得至0 ；e j ，o 由( q + 2 l + j + 2 ) 2 预测得萋h ；a ，f ，k ，p 由( a + 2 q + i + 2 ) 2 预 测得到；b ，g ，l 由( q + 2 a + b + 2 ) 2 预测褥剽；c ，h 虫( a 丰2 b + c + 2 ) 2 预 测得到；d 豳( b + 2 c + d + 2 ) 2 预测得到。 模式s ( 垂直偏右预测) ：该模式仅用予当a ，b c ，d ，l ，j ，k ，l q 都在该块赝 在静片内，a 由( 2 a + 2 b + j + 2 k + l 冉4 ) 3 预溯褥到；b i 由( b + c + 1 ) 1 预测得到； e 0 鑫( c + d l 冷l 蓣溅褥蜀；d 泰壶( d + 琶+ l b l 颈滚褥弼；l 内( e + “1 ) 1 预测得剿；c 由( a + 2 b + c + k + 2 l + m + 4 ) 3 预测得到；m 由( b + 2 c + d + 2 ) 2 鞭测褥劐；舀n 蠡l 。( c + 2 d e + 2 ) 2 簇测缛到；囊，o 垂( d + 2 鐾十& 2 ) 2 预测得到；p 由( e + 2 f + g + 2 ) 2 预测得别。 模式6 ( 水平德下预溅) ：该模式仅爰予当a ，b ，c ，d ，l ，j ，k b q 熬在该块囊 龋南交遴大学硕士研究嫩学位论文第1 1 页 在懿片疼，a ，g 出( q + 拜1 ) ) l l 羲渊霉弱 b ，圭l 由( i + 2 q + a + 2 ) 2 预测得 到：c 由( q + 2 a + b + 2 ) 2 预测得到；d 豳( a l + 2 b + c + 2 ) 2 预测得到； 岛k 洳( 1 + “1 ) l 赣测褥餮；f ，l 峦( q 2 l 菇+ 2 b 2 灏溺褥爨；i ，o 凌( j k + l ) 1 预测得到：j ，p 由( i + 2 j + k + 2 ) 2 预测得到：m 由( k + l + 1 ) 1 预测 褥劐；n 由( 】+ 2 l “l ， 2 ) 观鞭溅褥劐。 模式7 ( 滩直偏定预测) ；该模式仅用予当氏b ，c ，d ，i ，j ，k ，l q 都在该块所 在的片内，a ， 由( q + a + 1 ) ) l 预测得到；b k 由( 灿b + 1 ) l 预测得刻； c l 由( b + c + 1 ) l 颈测得到；d 由( c + d + 1 冷 l 预测得到；e ，n 由( i + 2 q + a + 2 ) 2 预测得到；f o 幽( q + 玉b + 2 ) 2 预测得到；g p 由( a + 2 b + c + 2 ) 2 预测褥至l ；h 由( b + 2 c d + 2 ) 2 预嚣褥翻；i 宙( q + 2 l 村+ 2 ) 2 预溯得 到；m 由( i + 2 j + k + 2 ) 2 预测得捌。 模式8 ( 窳孚镶上颓嚣 ：该模式霞瘸予当a ，努，c ，d ，l j ，k b q 都在该块所 在的片内，a 由( b + 2 c + d + 2 i + 2 j + 4 h 3 预测得到b 由( c + 2 d + e + i + 2 j + k 小4 ) 3 疆测褥裂；c ，e 由 3 蒙测缛劐；d ，f 爱 ( e + 2 f + g “+ 2 k + l + 4 ) 3 预测得到；g i 由( f + 2 g + h + 2 k 2 l + 4 ) 3 预 测得到：h l i 由( g + 3 h + k + 3 1 ，+ 4 ) 3 预测餐到；l ，珏由( 1 2 m + n + 2 ) 3 预测褥到：k ，m 由( g + h + “m + 2 ) 2 预测得到；o 由( m + n + 1 ) 1 预测 得到；p 由( m + 2 n + o + 2 ) 2 预测得到。 ( 2 ) i 6 1 6 亮浚颈漶模式 模式0 ( 瓣直预测) ，模式l ( 水平预测) ，模式2 ( 直流预测) ，模式3 ( 平 瑟颡测) ：一个线毪警覆委数，这在亮疫交纯薯老缓瓣嚣域瘸褥院较好( 圈2 5 ) 。 oi 饨r n c 蝴)1 呻r t 黼哪柚) 图2 5 1 6 1 6 亮度预测模式 ( 3 ) 度鬏测蔟萎 岛1 6 1 6 亮度预测模式焱似，同样分为模式o ( 垂直预测) ，模式1 ( 水 乎预测) ，模斌2 ( 妻滚预测) ，模式3 ( 平纛预测) 这靼秘鞭测方式。注意： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 如果一个8 8 亮度块按帧内模式编码时，色度块也同样按帧内模式编码。 ( 4 ) 帧内预测模式的编码 如果将每个4 4 块的帧内预测模式都告知解码端，这需要大量的比特。 a b c 图2 6 宏块位置图 但是帧内模式时，邻近的4 4 块必然具有高度 的相关性。例如，图2 - 6 中a b 用模式2 编码 则c 一般也用模式2 编码。对每一个当前块c ， 编码器和解码器都要计算最可能模式 ( m tp m b a b i em o d e ) 。如果 b 都按4 4 帧内模式编码且在同一片内，则最可能模式是 a b 预测模式的最小值；否则最可能模式被设 置为2 ( 直流预测) 。 编码器为每一个4 4 的块设置一个标志位，使用最可能模式 ( u s c _ m o s l p r o b a b i e _ l o d c ) 。若该标志为“1 ”，则参数最可能模式被使用； 若该标志为“o ”，则另一个参数剩余模式选择( r c m 缸i n i n gm o d es c l c c t o r ) 被设置。如果剩余模式选择小于当前的最可能模式则预测模式为剩余模式选 择，否则剩余模式为剩余模式选择加1 。因此剩余模式选择仅需要8 个值( o 7 ) 来表示当前帧内模式( o - 8 ) 。 例：a 用模式3 预测，b 用模式1 预测，则c 的最可能模式为1 。若标恚 使用最可能模式被设为“o ”，则剩余模式选择被设置。根据剩余模式选择的 值，8 个剩余模式中的一个被选出来。 宏块按帧内1 6 1 6 方式编码或一个色度块按帧内块编码必须在宏块的顶 端标志。 表l 选择预测模式( 最可能模式= 1 ) l 剩余模式选择块c 的预测模式 o o 12 23 34 45 56 6 7 7 8 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 2 赣溺预测 帧间预测是从已编码的前几帧得出一个预测模型，这个模型内参考帧中 稼繁穆整褥捌( 运凌斡嫠_ ；鬓溅) 。a v c 编鹞器谴潮墓予块瓣运动棒褛强澜， 这个准则自h 2 6 1 以来一崴被使用。与以前所不间的是，h 2 6 4 采用了不同 数块大，l 、 和通用变长编码( u v l c ：u n i v e r 钳lv i c ) 。u v l c 使用一个长度无限的嘏子 集，设谤络爨葵鬻蠢囊律，瘸稳嚣懿褥表露l ；乏慰苓弱懿瓣象进器绫褥。遮秘 方法很容易产生一个码字，而解码器也很容易地识别码字的前缀，u v l c 在 发生比特镄误对能快速获褥重圈步。u v 羔心提供? 一令篾攀量健壮戆方法来 编粥模式储总和d c t 量化系数，但在中高比特率时性能不够好。因此c a b a c 成了h 2 6 4 的另一个选择，c a b a c 具有三个独特的优势：( 1 ) 内容模型提 供了编码符号静条件概率酌估计i ( 2 算术编码允许对予每个符弩分配非整 数数目的比特；( 3 ) 自适威算术编码允许熵编码器能适应无固定符号统计的 模式。o i 嚣a c 编弼性麓魄u v 王c 好，餐计算复杂度氆岗。 2 。2 。5 西羯l p 及无线环壤 | 歪2 6 4 橛准孛包客了爨予差错溪除数工蒸，蠖予压缝褫频在谈褥、丢趣多 西南交通大举硕士研究生学位论文第17 页 发拜境审传赣，傈涯了在移动镄遂或瓣信道牵传赣静链柱经。 为了抵御传输差错，h 2 6 4 视频流中的时间同步可以通过采用帧内图像 捌藜来宠或，空阕羁步凌冀缝捻编玛( s l c es 姗c l 珏砖d c o 硅呈n 葚) 来支持。闲瓣 为了便予误码以后的荐同步，猩一幅图像的视频数据中还提供了一定的熏同 步点。男於，帧内宏块捌赣和多参考宏块允许编码器撵决定宏块模式的时候 不仅可以考虑编码效率，还可以考虑传输信道的特性。 除了利用量化步长的改变激适应僚道码率以外，强h 2 6 4 中，述馓秘用 数舞分裁酶方法来应对稽遂羁攀的交豫。觚总体上说，数据分帮的穰念就是 在编码器中生成具有不同优先缀的视频数据以支持网络中的服务质量q o s 。 铡魏，袋霜基予语法豹数豢势镧( s y 珏t 缎酝s e dd a l ap 哦掰锄i n 鐾) 方法，将霉 帧数据按其重要性分为几部分，这样允许在缓冲区溢出时丢弃不太重骚的信 惠。还霹戳采震类鲣鹣嚣重阕数豢分割( 1 锄辨蹴矗蘸& p 鞋娃i 溺鞋i 端) 方法，逶遗 在p 帧和b 帧中使用多个参考帧来完成。 在天线通信的应用巾，我嚣】可以通避改变镪一帻瓣蠢住糖凄或空鼹，孵间 分辨率来支持无线信道的大诧特率变化。可是，在实际的情况下，要求编码 器对变化的各种比特率避行响殿是不可能的。因此，誉同于m p e g 4 中采用 豹精细分级编筠f g s 疆i i l e 融黼l a fs c a l a b i l i t y ) 的方法( 效率比较低) ，h 2 酏 采用流切换的s p 帧来代替分级编码。 贯癸，嚣2 6 4 还摄氆了基予瑗溺嚣鼯酌去块效应滤波、s a d 压缩比不变。 蜀搽终瞧痊予祷统麓强度密褥燕0 嚣s 、l d 嚣a 、r s a 等) 遴鬻其毒较毫 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 的计算复杂度，并且视频数据的数据量通常很大，因此，完全加密算法 的计算复杂度很高。完全加密算法将视频数据当作一般的二进制数据进 行加密，没有考虑视频数据的数据格式问题，不具有数据可操作性。 计算复杂度完全加密算法使用传统高强度密码对视频数据完全加密， 由于传统高强度密码( 如d e s 、i d e a 、r s a 等1 通常具有较高的计算复杂 度，并且视频数据的数据量通常很大，因此其计算复杂度很高。 3 2 选择性加密( s e l e c t i v e 触g o r i t h m ) 选择性加密算法即部分加密算法，该算法考虑根据编码过程，选择较敏 感或较重要的部分加密，常用的加密算法有分层加密算法和基于帧结构的选 择性加密算法。选择性加密已经成为基于信源特征的视频加密方法的主要方 向，主要分为以下几类： 1 仅加密头信息的加密方法 m p e g 、h 2 6 x 序列都按一定结构组织图像数据【2 5 】。例如，图片组、图 片( 帧) 、片组、片、宏块组、宏块等，都由一个头信息开始，后接图像数 据。经编码后的视频数据，要按标准规定的特定结构排列组织，收方按相同 的标准结构解码，才能正确恢复原视频图像。 该算法的原理是对这些头信息数据加密，将其变成随机序列，再与其它 数据混合，使接收方在不知道密钥的情况下难以区分结构信息数据和视频信 息数据，更难以知道数据结构和数据的具体内容，难以按原数据结构解码接 收到的视频编码数据，无法获得原图像，达到加密目的。 经过该算法加密的视频编码数据没有通用的数据结构信息，全部为随机 序列。为便于合法收方接收，需加入加密同步信息，或保留原来部分同步信 息，只加密其它结构信息。如果加密结构信息误码，合法收方恢复视频图像 也很困难。 该算法仅加密头信息，优点是不降低压缩率、增加计算量小，适用于各 种标准视频或图像压缩编码数据。但其缺点是安全性较低。按照编码标准， 头信息具有固定的位置和内容，所以含信息量很小，加密的意义不大。只要 能分辨出头信息和视频数据，就可以恢复视频图像，并且一旦知道头信息， 密钥和密码算法也很容易破译。事实上，基于m p e g 、h 2 6 x 等标准的视频数 据结构比较固定，视频数据本身又有很强的特征，这种加密方式容易被破译。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 2醅p 嚣算菝 m p e 算法也是最基本的分块加密方法，魑基于m p e g 的l p b 帧结构的， 帮仅燕密英孛熬l 蛟，嚣为麸壤念上游，舞票不强遂辐艘豹l 梭，仅毒p 较窝 b 帧是没有用的，称这熊算法为m p e 算法。但是文献f 2 6 】中的实验表明，由 母帧间豹楣关性秘p 蛟、b 帧巾有未期密匏l 块，所以仅仅燕密l 峻不能达 剿足够商的安全性。 于是，有人提出利用提高视频序列中i 帧频率的方法来增加加密的内容 获而摄离密级。讴这样撮髓显会增大黼密的数据量，大大堰船计算蠢，闯时 减小视频压缩率。 3s 嚣c 酲p 雹g 算法 m e y e r 柚dg a d e g 豁t 设计了一种新的似m p e g 比特流，称之为 s e c 瓣纛g 豳。s 嚣c 艇p 嚣g 爱戆搜趸标壤燕密冀法d 醋嚣r